剪叉式液压升降机构有限元及实验应力分析

1、剪叉式液压升降机构有限元及实验应力分析 中国民航大学 硕士学位论文 剪叉式液压升降机构有限元及实验应力分析 姓名：姜梅惠 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：解本铭 20070301 摘 要 本文以中国民航大学自行研制的平台车为研究对象，在考虑接触非线性的 情况下，应用大型有限元分析软件ANSYS对剪叉机构在静载工况下的受力、 应力分布等力学特性进行了二维、三维有限元分析，确定剪叉臂的应力和应变 的薄弱点，并在此基础上对其进行结构参数的有限元优化设计，为剪叉机构的 设计提供计算依据。 为了对剪叉机构关键受力处数值计算结果进行验证，对剪叉机构进行了静 态应力电测测试，并与ANSYS

2、有限元计算结果进行比较。通过对应变片检测实 验获得的各测量点的应力数据整理分析，验证了ANSYS计算所确定的最大应力 点及最大应力值与实验结果较好地吻合，确定了剪叉机构最大应力点发生的区 域，为结构设计和使用提供参考。 研制液压剪叉式升降平台车一方面可以提高维护人员的故障分析能力，另 一方面可以培训维护人员的标准排故操作，提高其维修能力，并填补国内空白， 研制意义重大。 关键词：剪叉机构有限元实验应力分析接触非线性优化设计 Iv Abstract Thearticletakesthe loaderwhich is civilaviation cylinder produced by ofchi

3、nafor university research twoandthree-dimensional objectFirst,makes ofthescissorsmechanismS analyfis mechanicscharacteristicsuch嬲itSstatusunder static forceandstress on of thecondition aboutcontact distributing thinking nonlinearofthestructure finiteelement byusing large?scale analysis itsstressandw

4、eak oncean soRware-ANSYS；Determined spots emergency occurs，thenmakesstrueturefiniteelement oftheinstaticload optimizationdesign onthebasisof aboutcontactnonlinearofthestructureit thatcan thinking provides therationalefor ofscissorsmechanism design To the resultofthe areaofthescissors provecomputed k

5、ey mechanism，the staticstressmeas四entistestedandthe resultis withANSYSfinite compared element thestressdataofscissorsarnl$which calculationByanalyzing many on andimum pointsit，the stressareobtainedAlso measuring dangerouspoints the anSWerANSYSwiththe theory by resultisexamined，andthe tallying experi

6、ment critical stress most onscissors point greatly mechanismisdeterminedThe analysis resultsare referencesforstructureand designapplication Theresearchonthis scissors loaderCan the hydrauliccylinder improveanalysis ofthe maintenancetheother Cantrainthemaintenancecrew ability man，on hand，it with stan

7、dardtrouble the shooting nationalblankand manipulationItflls叩the researchiS verysignificant words：scissors stress Key mechanism；finiteelement；experimentalanalysis；contact； nonlinear stress；optimizationdesign V 中国民航大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发

8、表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得中国民航大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 研究生签名： 善枸惠 日期：翌煎弘Z阴 中国民航大学学位论文使用授权声明 中国民航大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布 包括刊登 论文的全部或部分内容。论文的公布 包括刊登 授权中国民航大学研 究生部办理。 研究生签名，二随导

9、师签名： III 中国民航人学顾I学位论文 第一章 绪论 11课题的来源、研究目的及意义 平台车是用来向航空器上装卸标准航空集装箱板的自行式车辆，是航空货 物运输装卸作业不可缺少的工具，是一种专为航空器提供地面服务的机场配套 特种设备。平台车可以通过改变平台的高度，来实现平台与飞机舱门的对接， 这样做的好处是可以实现货物的直接水平传送，使飞机上货物的装卸变得比较 方便。 平台车按整体机构分为单平台，前、后双平台。按装卸重量分，目Iji有68 吨、136吨、27吨、30吨等规格。它是一种机电液一体化的特种设备。 目前所使用的各种类型的平台车，主要是依靠液压系统来实现平台的升降 以及货物的水平传送

10、。当通过平台车向飞机装货物时，首先把平台车降到最低 点，把货物从集装箱平板车上装到主平台上。当货物未在正确位置时，主平车 通过发动机驱动液压马达，通过控制不同位置的液压马达旋转来完成货物在主 平台上转动，以便实现货物的正确定位，再通过液压马达带动链条驱动主平台 上的滚轮 钢滚轮或橡胶滚轮 ，以便实现输送货物到桥平台上。然后由发动机 驱动液压泵液压马达，通过剪叉式支撑臂进行升降前平台 桥平台 及后平台 主平台 ，它是由一个或多个液压缸来完成平台的升降的。最后通过桥平台将 货物输送至飞机货舱。反之，当从飞机上卸货时，首先将货物由飞机货舱输送 到平台车的桥平台，然后再输送至后平台上，然后通过液压缸控

11、制剪叉臂降下 平台后，将货物传送到集装箱平板车上。 剪叉式起升机构作为升降平台钢结构的关键组成部分，也是关键的受力部 件，其力学特性会对平台性能产生直接影响。不管剪叉式升降平台型式多复杂， 起升工作臂总是升降平台钢结构的主体，也是关键的受力件，其安全性能对J下 中国民航人学硕I：学位论文 常作业具有重大的影响作用。民航行业所使用的液压平台车举升负荷大，对设 备的可靠性要求高，对此关键性部件应当尤为关注。 本文以中国民航大学地面特种设备研究基地白行研制的液压剪叉式升降机 构 全文中一律简称剪叉机构 为研究对象，通过对模型简化分析并运用ANSYS 软件对剪叉机构进行静力分析，通过应变片检测法对剪叉

12、机构进行应力检测， 验证理论分析的正确性，从而确定剪叉臂的应力和应变的薄弱点，为剪叉机构 的优化设计提供科学的依据，其分析方法和结论可作为设计这类机械的参考。 12国内外发展情况及课题背景 目前，气、液动剪叉式升降平台在民航、交通运输、冶金、汽车制造、集 装箱、模具制造、木材加工、化工灌装等各类工业企业及生产流水线等行业逐 渐得到广泛应用，诸如固定式液压升降平台，固定式液压升降货梯，剪叉式高 空作业平台，固定式液压升降货梯，高空作业平台，民航特种车辆的航空食品 车、升降平台车、残疾人登机车。其采用的剪叉式机械结构，具有整体性强， 稳定性好，坚实耐用，承载量大，升降平稳，安装维护简单方便，生产安

13、全性 好等特点，使升降台起升后有较高的稳定性，宽大的作业平台和较高的承载能 力，使高空作业范围更大，并适合多人同时作业，效率更高，更安全。因此， 剪叉机构在各种升降平台中得到了广泛的应用。 近几年来，随着民航事业的飞速发展，对机场地面保障设备从数量到质量 的要求都提出了更高的要求。以前我国航空货运升降平台车全部依靠进口，随 着航空运输业的快速发展，升降平台车需求量迅速增长。目前只有少数几个发 达国家能生产升降平台车，该车辆属于专用车辆，生产批量小，价格高。直到 1995年，中国机械科学研究院才开始研制sJT68航空升降平台车。中国是一 个民航大国，目|j 每年仍要从国外进口许多辆航空货运平台车

14、，因此研制出具 有中国自己特色的新型平台车完全替代进口具有显著的现实意义和经济效益。 与此同时，经过近年来的不断努力，国产剪叉升降平台的质量有了较大提 高。许多制造厂也已逐步扭转了一直以来只注重剪叉机构的破断强度，而对剪 叉机构的疲劳强度重视不够的做法，开始下功夫提高剪叉机构在循环疲劳应力 下的强度。因此，在目前国产剪叉升降平台可靠性不断提高的情况下，必须研 制出相应的具有高破断强度、高疲劳寿命的剪叉升降平台。要保证剪叉机构的 破断强度并使之不断提高，则要在加工工艺和材料的选择方面以及从设计角度 来保证剪叉机构的质量，以使之具有最佳的工作状态，这已经在实际工作中成 为各厂家共同关注的焦点。提高

15、使用寿命和持久工作能力已是实际生产中必须 解决的问题，也是完善整个剪叉升降平台机械系统的关键，这也确定了本课题 对剪叉机构进行研究分析的必要性。 2 中团民航人学硕l：学位论立 13剪叉机构的结构形式 剪叉机构是升降平台设备中不可缺少的部件之一，根据它的使用和承载要 求，它应具有高破断强度、高疲劳寿命、耐磨损、抗腐蚀、拆装方便以及工艺 简单等特点。因此，剪叉机构的强度以及各项几何尺寸必须合理化，才能使整 个升降平台具有整体可靠性，这也给剪叉机构的设计带来了较大的困难。 目前，国内外的各种剪叉升降平台基本结构形式有单叉和高空作业多叉形 式。 14剪叉机构失效的原因 1 剪叉机构的承载特点和破坏情

16、况 剪叉机构的承载特点主要取决于所服务的设备。在液压升降平台、固定式 液压升降货梯、剪叉式高空作业平台、固定式液压升降货梯、高空作业平台、 民航特种车辆航空食品车、残疾人登机车等设备中，它都作为起升构件。承受 载荷的主要形式是随机疲劳载荷，并伴有间或发生的突发载荷。剪叉机构承载 后，结构上应力的分布比较复杂，其破坏情况也随结构形式的不同而不同，但 就其承载特点来说，主要破坏情况有两种： a、突然超载时的强制破坏。这种情况在正常工作状态下一般不会出现， 只有当剪叉升降平台受到突然冲击时，剪叉臂可能因受突然过载而破坏。 b、在随机脉动压力载荷作用下引起的疲劳破坏。剪叉机构在远低于破断 压力载荷下损

17、坏，是目lj 剪叉机构破坏的主要情况。剪叉机构多是由于在疲劳 载荷作用下，某些应力敏感部位萌生裂纹并逐渐扩展，最后导致脆性断裂。并 且疲劳载荷的作用使剪叉机构在使用过程中还不断受到摩擦、擦伤，这些也会 促使裂纹的初期萌生和加速裂纹的扩展。因而导致剪叉机构的最后破坏，实际 上是多种因素相互作用的结果。 2 剪叉机构在使用中的磨损 结合剪叉式液压升降平台在民航等领域应用的具体实际，对使用过的剪叉 机构进行观察，其磨损部位主要在以下三个部位： a、剪叉臂销孔部位。这是使用中磨损较严重的部位，主要由于销与剪叉 臂之自J的接触、挤压、相对转动所造成的磨损，剪叉机构的使用时间越长磨损 越严重。 b、剪叉臂

18、两端与底座和上平台联接处，由于接触和相对转动而产生的。 剪叉机构承载后，在剪叉臂上下边缘中部和中间销孔周围部位具有较大的 应力值，除焊缝处外，大多数剪叉机构均在此两处发生破坏。相比之下这两处 是剪叉机构更为薄弱部位。所以磨损、承载程度对该两处的强度将产生很大影 响。 因此，国内为提高剪叉机构的使用寿命，在对剪叉机构进行了一系列研究 中周民航人学硕七学位论文 的基础上开始采用并对新类型展开了更加深入的研究。近几年国内各个厂家以 及研究所，各大院校都很关注剪叉机构的研究，并且有些厂家也和研究所或学 校联合，对现今采用的多种剪叉机构进行分析改进，旨在找到一种使用寿命长、 强度高、韧性好的材料和结构设

19、计方案。 结构设计相当关键，选择高强度的材料对提高剪叉机构的静载强度和动态 疲劳强度尤为重要，而成熟和合理的制造工艺又是实现设计意图的必要保证。 因此，对现有剪叉机构的结构设计分析有着重要的意义。改进剪叉机构的结构 设计，首先要在有限的联接部位充分利用材料的强度，使剪叉机构受力合理。 剪叉机构承载后的应力分布比较复杂，要在理论上分析各部分的应力是困难的， 但可用ANSYS有限元分析方法进行分析。全面分析剪叉机构的应力分布，对 设计合理的结构形式十分重要；其次，局部结构设计的合理与否对剪叉机构的 寿命也同样有很大影响。设计局部结构时，对应力集中问题应予以充分重视。 15本文主要工作 本文以我校自

20、行研制的平台车为计算对象，运用ANSYS分析软件对剪叉机构 进行静力分析，通过静力学实验应变片检测法对剪叉机构进行应力检测， 通过对剪叉式升降机构的静力学分析，从而确定剪叉臂的应力和应变的薄弱点， 利用ANSYS优化设计模块对剪叉机构进行优化设计。本文将所完成的工作分 如下几章： 第一章，简要分析我国民航地面特种设备的剪叉式液压升降平台车的发展 所面临的挑战，回顾了剪叉升降平台在我国的发展历史，介绍了剪叉升降平台 车有关问题的国内外研究现状。 第二章，简要介绍了问题研究中所涉及到的理论及应用到的有限元软件。 为后面几章的有限元分析奠定基础。 第三章，建立剪叉机构的有限元模型，针对剪叉机构的工作

21、原理，抽象出 问题的力学模型，进而建立有限元模型，用有限元方法对剪叉机构的强度进行 分析。 第四章，利用ANSYS优化设计模块对剪叉机构进行优化设计，并对优化 结果进行分析。 第五章，实验应力分析，通过对剪叉机构进行实验，并对实验结果进行分 析，从实验的角度来验证理论研究的正确合理性。 第六章，全文工作总结和展望。 4 中固民航人学硕f：学位论文 第二章剪叉机构有限元法基础及ANSYS软件介绍 21有限元法的基本思想及步骤 有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。 它是50年代首先在连续体力学领域飞机结构静、动态特性分析中应用的 一种有效的数值分析方法，随后又广泛地应用

22、于求解热传导、电磁场、流体力 学等连续性的问题。有限元分析方法是计算机辅助工程 cAE 系统中的一个 重要组成部分。有限元法的基本思想是，将连续结构分割成数目有限的小单元 体 称为单元 ，这些小单元体彼此间只是在数目有限的指定点 称为节点 上 互相连结，用这些小单元体组成的集合体代替原来的连续结构。每个小单元体 的力学特性都与原结构对应于该小单元处的力学特性相同，再把每个小单元体 上实际作用的外载荷按虚功等效原理分配到单元的节点上，构成等效节点力， 并按结构实际约束情况决定受约束节点的约束。这一过程称为结构离散化。其 次，对每个小单元根据分块近似的思想，选择一个简单的函数来近似地表示其 位移分

23、量的分布规律，并按照弹性力学中的变分原理 虚功原理 建立起单元 节点力与节点位移之间的关系 单元刚度方程 ，最后把全部单元的节点力与节 点位移之间的关系组集起来，就得到了一组以结构节点位移为未知量的代数方 程组，并考虑结构约束情况，消去节点位移为零的方程，再由最后的代数方程 组就可求得结构上有限个离散节点的各位移分量。求得结构上各节点的位移分 量之后，即可按单元的几何方程和物理方程求得各单元的应变和应力分量【4瑚J。 在实际的工程应用中，设计的结果要付诸实施必须首先经过一系列的工程分析， 以验证其是否满足各种设计要求。有限元分析方法的出发点是用大量形状简单 的单元组合来近似描述整体结构，将整体

24、结构离散化，利用节点变量对单元内 部变量进行插值来实现对整体结构的分析i13】。因此，成功应用有限元分析方法 取决于是否将实际工程问题抽象出正确的力学模型，是否将力学模型工F确划分 有限元集合。 实际工程问题抽象和正确力学模型，即对实际问题的边界条件、约束条件 和外载荷进行简化，当然这种简化应尽可能的反映实际情况，不至于使简化后 的模型与实际差别过大，同时计算也不过分复杂。模型简化过程中必须判断实 际结构的问题类型 二维、三维、平面应力还是平面应交问题 ，判断结构是否 对称，外载荷大小、位置，结构的几何尺寸和材料参数 弹性模量E、泊松比 u等 ，单元划分的粗细与模型的需要是否相符等。有限元的实

25、质就是把具有无 限个自由度的连续体，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题简化 为适合于数值解法的结构型问题。有限元法的基本步骤可归纳为： 1连续体离散化，为此选择某组单元，这些单元在节点处相连接； 2计算单元的质量、刚度矩阵和载荷列阵； 中困民航人学石贞l：学位论文 3列出连续体的总体质量矩阵、刚度矩阵和载荷列阵； 4施加边界条件； 5求解结果方程组。 22ANSYS软件介绍 剪叉机构的运行过程不是热一结构耦合场的问题，因此不涉及到动能和热 能之间的转换问题。但由于剪叉机构是由三个零件组成的，在剪叉臂与销轴之 间存在接触，接触是一种很普遍的非线性行为，它是状态非线性类型中一个特 殊而重

26、要的子集，是一种高度非线性行为。传统的分析方式很难达到研究目的， 而ANSYS软件中可以利用ContactWizard建立接触对，实现对这种状态非线 性的处理。这就满足了我们对剪叉机构的求解要求，因此本文选择ANSYS软 件进行分析。 ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是 在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据 该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要 求。它是融结构，热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，由世 界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发。它具有与PROE， 现数据

27、共享和交换，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。它已广泛应用于 机械制造、汽车交通、军工、电子、土木工程、生物医学、水利、石油化工、 轻工、造船、能源、航空航天等等众多工业领域及科学研究当中。 尽管ANSYS程序功能强大，应用范围很广，但其良好的图形用户界面 GUD 及优秀的程序构架使其易学易用。该程序使用了基于Motif标准的GuI可方便 地访问ANSYS的多种控制功能和选项。通过GUI还可以方便地交互访问程序 的各种功能、命令、用户手册和参考资料。同时该软件提供了完整的在线说明 和状态途径的超文本帮助系统，以协助有经验的用户进行高级应用。 此外，它有统一和集中的数据库，保证了系统各模块之

28、间的可靠和灵活的 集成，其DDA模块实现了它与多个CAD软件产品的有效连接。ANSYS软件可 在大多数计算机及操作系统中运行，在PC机、NT工作站、UNIX大型机和巨 型机的所有硬件平台上，ANSYS数据文件均可兼容。该软件提供了不断改进的 功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、 设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命 令功能121，从ANSYS61版本后又增加了疲劳寿命的计算。本文所使用的版本 为ANSYS NT及Windows XP,也可运用于UNIX系统下。 ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，分柝计算模块和后处理模

29、6 中国民航大学硕+学位论文 块。I；i处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地 构造较简单的有限元模型：分析计算模块包括结构分析 结构线性分析、结构非 线性分析和结构高度非线性分析 、热分析、流体动力学分析、电磁场分析、声 场分析、电压分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用， 具有灵敏度分析及优化分析能力：后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、 梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图 形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。ANSYS软件 提供了100种以上单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 A

30、NSYS在所应用到的领域都能达到很高的可信度，颇获各界好评。多年以 来，ANSYS软件不断吸取新的计算方法和计算技术，随着交互方式的加入，简 化了模型的生成和结果的评价。特别是其强大的后处理功能，大大简化了设计 人员在有限元分析完成后的数据处理和结果分析，减小了应力分析设计时间， 缩短了设计周期。 221ANSYS软件的结构 1、处理器 ANSYS按功能模块分为9个处理器，这些处理器分别执行不同的任务。只 要按步骤进行操作，就很容易建立自己的分析任务，获得求解。有两种方法进 入处理器，图形用户交互方式和命令方式。 2、文件格式 当建立一个分析任务时，ANSYS自动创建大量文件，这些文件以任务名

31、为 文件名，通过对任务名后添加字符或使用不同的扩展名来识别不同类型的文件。 在所有文件中，数据库文件是最重要的文件。ANSYS以确定的结构，把所有输 入数据和输出数据存储在一个数据库中 扩展名为DB ，通过对数据库的读取完 成不同处理器之间的相互通信。 3、输入方式 ANSYS提供了多种输入方式，方便用户完成分析任务：菜单方式、函数方 式和命令方式，或者这些方式的组合。 菜单方式是用鼠标在菜单 通用菜单或主菜单 上进行选取，通常会弹出各 种对话框，以完成各项操作。 命令方式是从命令行中输八命令及命令域的值。对一些常用且熟悉的命令， 用该方式更为快捷。 函数方式也是从命令行中输入，只需要输入命令

32、，而命令域的值将通过弹 出菜单输入，这样可以简化操作。 222ANSYS的基本使用方法 有限元分析是对物理现象 几何及载荷工况 的模拟，是真实情况的数值 近似。通过对分析对象划分网格，求解有限个数值来逼近和模拟真实环境的无 7 中困民航人学顾l：学位论文 限个未知量。 ANSYS分析过程包含三个主要的步骤： 1、创建有限元模型 1 创建或读入有限元模型 2 定义材料属性 3 划分网格 2、施加载荷并求解 1 施加载荷及载荷选项、设定约束条件 2 求解 3、查看结果 1 查看分析结果 2 检查结果是否正确 23本章小结 本章对现代设计方法中有限元方法及其软件在工程中的应用进行了简单的 介绍，总结

33、了有限元法基本思想以及用有限元ANSYS软件进行问题分析的基 本步骤。 8 中国民航大学硕f|学位论文 第三章基于ANSYS的剪叉机构有限元分析 31引言 有限元模型是以数学的方式表达结构的几何形状，把实体模型划分为节点 和单元，在几何边界上施加载荷及边界条件，来模拟实际工程问题。因此在创 建剪叉机构的有限元模型之前，必须先建立其力学模型，合理的模拟约束，确 定边界条件及载荷。所以难点还在于从剪叉机构静力作用下，抽象出力学模型， 建立合理的、便于划分网格的实体模型，从而完成有限元模型的建立。 32力学模型 剪叉机构的实验模型如图3-1所示，主要由两个结构完全相同的剪叉臂和 一个中间圆柱销三部分

34、组成。剪叉机构的承载特点主要取决于它的服务场合， 作为起升构件，承受载荷的主要形式是随机疲劳载荷，并伴有间或发生的突发 载荷。对剪叉机构来说，在实际运行过程中，剪叉机构主要是承受向下的压力 载荷。承载以后应力在结构上的分布往往比较复杂，由于所作的研究还属摸索 阶段，因此此次研究中我们主要考虑其在静载荷下的承载方式。 图3-1剪叉机构的实验模型图 33实体模型 331建模方法 在实体建模方面，ANSYS与一般的CAD软件一样，利用点、线、面、体 积组合而成。不同的是为了便于有限元计算，划分网格前的实体模型要根据载荷 的特点和边界条件，适当的忽略一些小的圆角、圆孔、凸台和凹槽等结构。在模 型的建立

35、过程中用到以下方法： Method 1、由下往上法 Bottomup 9 中国民航人学顼十学位论文 由建立最低单元的点到最高单元的体，即建立点，再由点连成线，然后由线 组合成面，最后由面组合建立体。 Method 及布尔运算命令一起使用此方法直接建 2、由上往下法 Top-down 立较高单元对象，其所对应的较低单元对象一起产生，对象单元高低顺序依次为 体、面、线及点。所谓布尔运算为对象相互加、减、组合等。 3、混合法 在实际的工程中需要根据具体的情况来建立几何模型，根据实际几何模型的 几何特点，结合前两种方法综合运用，但应考虑到要获得什么样的有限元模型， 即在网格化分时，要产生自由网格划分或

36、对应网格划分。自由网格划分时，实体 模型的建立比较简单，只要所有的面或体能接合成一个体就可以，对应网格划分 时，平面结构一定要由四边形或三边形面相接而成，立体结构一定要由六面体相 接而成。 332剪叉机构模型的建立 剪叉机构实际的构件外形比较复杂，分析时对构件进行了简化。根据剪叉机 构的形状和受力特点，取结构的一半为计算模型，在模拟过程中删除不参与本体 力传递的部件和与分析计算无关的枝节结构。选择一个剪叉臂和销的截面建立带 实孔的薄板这样一个简化几何模型见图 32 。 图3-2 ANSYS简化模型 采用混合的方法，根据给定的剪叉机构的几何尺寸直接建立了剪叉臂和销的 实体模型以此对剪叉机构进行有

37、限元分析。 又本文分别研究了： 1、将剪叉臂 实心截面 与销简化成固接结构和铰接结构时的应力分布情况， 其铰接结构采用了接触单元，并分析了不同摩擦系数对接触分析中应力大小分布 的影响。定义剪叉臂与销为固接结构的几何尺寸为：起升臂总长L 2100mm，宽 0 中困民航大学硕十学位论文 2、剪叉臂 实心截面 与销为铰接结构的几何尺寸为：起升臂总长工 销直径为d 296mm 截面如图33 。 3、将剪叉臂 空心矩形截面 与销简化成铰接结构时的应力分布，以便与 下一步实验应力分析的结果进行对比，进一步分析剪叉机构的应力分布情况， 确定薄弱点。定义平台车剪叉机构的几何尺寸为：起升臂总长L 2100mm，

38、宽 销直径为d 296mm 截面如图3-4 。 图3-3实心截面剪叉臂几何尺寸图 图3-4空心矩形截面剪叉臂几何尺寸图 34实常数、材料特性参数的设定及单元的选取、模型的网格划分 341实常数、材料特性参数的设定 本文只作静态分析，即研究剪叉机构在考虑接触非线性的基础上承受向下 压力的受力情况，因此应用ANSYS静力分析中的结构分析模块，所需要定义的 触分析摩擦系数MU f 01，02，03，04。并根据剪叉机构的实际受力情况对模型 施加约束。 342单元的选取、模型的网格划分 342 1单元的选取 在进行网格划分之前必须定义单元类型和设置。ANSYS单元库有180多种 单元类型可供选择，每种

39、单元类型由名称和代号组成，具有特定的单元性能， 这些单元类型按结构可分为梁单元、壳单元、平面单元和三维实体单元等。其 中许多单元具有好几种可选择特性来胜任不同的功能 342 2模型的网格划分 划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需 要的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接的影晌。 因此在剪叉机构网格划分的过程中应考虑一些基本原则。 中国民航大学硕l：学位论文 l、网格划分中基本原则 1 网格数量 网格的数量多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网 格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网 格数量时应权衡两

40、个因素综合考虑。 图3-5位移精度和计算时间随网格数量的变化 图35中曲线1表示结构中的位移随网格数量收敛的一般曲线，曲线2 代表计算时问随网格数量的变化9,191。可以看出，网格较少时增加网格数量可 以使计算精度明显提高，而计算时间不会有大的增加。当网格数量增加到一定 程度后，再继续增加网格时精度提高甚微，而计算时间却有大幅度增加。所以 应注意增加网格的经济性 2 网格疏密 网格的疏密是指在结构不同的部位采用大小不同的网格，这是为了适应计 算数据的分布特点。在计算数据梯度变化较大的区域 如应力集中处 ，为了 较好的反映应力变化的规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯 度小的部位，为

41、减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。采用疏密不同的网 格划分，即可以保持相当计算精度，又可使网格数目减少。因此网格数目应增 加到结构的关键部位，在次要部位增加网格是不必要的，也是不经济的。 3 网格质量 网格的质量是指网格形状的合理性。质量好坏将影响到计算精度。质量太 差的网格甚至会终止计算。直观上看，网格各边或各个内角相差不能太大、网 格面不过分扭曲。网格的质量可以用细长比、锥度比等指标衡量。在重点研究 结构的关键部位，应保证高质量的网格。 4 单元阶次 许多单元都具有线性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式的单元称 为高阶单元。高阶单元的曲线能够更好地通近结构曲线和曲面边界，且高次插

42、值能够更好地逼近复杂函数，因此选用高阶单元可以提高计算精度。但是其计 12 中国民航人学硕士学位论文 算规模也要人很多。当适当增加网格数量可以提高到规定的计算精度时，原则 上不提倡使用高阶单元。本次研究采用二维四节点等参单元计算出的结构己经 满足精度要求。 5 网格分界面和分界点 结构中的一些特殊界面和特殊点应分为网格边界或节点，以便定义材料特 性、物理特性、载荷和位移约束条件。即应使网格形式满足边界条件特点，而 不应让边界条件适应网格。常见的特殊界面和特殊点有材料分界面、几何尺寸 突变面、分布载荷分界线、集中载荷作用点和位移约束作用点等。 6 位移协调性 物体变形后必须仍保持其整体性和连续性

43、，这样才能使单元上的力和力矩 通过节点传递给相邻的单元。为保证位移协调，一个单元的节点必须同时也是 相邻单元的节点，而不是内点或边界点。相邻单元的共有节点具有相同的自由 度性质。否则，单元之间须用多点约束等式或约束单元进行处理。 7 网格布局 当结构形状对称时，其网格也应划分对称的网格，以使模型表现出相应的 对称性。不对称布局会引起一定误差。 2、网格划分的步骤 网格划分是生成单元和节点的过程，在有限元的求解计算中，所有施加在 有限元边界上的载荷或约束，最终都是传递到有限元模型上 节点和单元 进 行求解的Il”。 网格划分的步骤如下： 第一步是建立单元数据，这些数据包括单元的种类 TYPE ，单元的几何 常数 R ，单元的材料性质